# 貝圖爾·卡查爾：生命起源、古 DNA、胚種論與外星人 > 生物學家貝圖爾·卡查爾談生命起源的實驗探索、古 DNA 研究、胚種論與外星生命可能性。 - 原標題：#350 – Betül Kaçar: Origin of Life, Ancient DNA, Panspermia, and Aliens - 期數：第 350 期 - 釋出日期：2022-12-29 - 嘉賓 / 主題：貝圖爾·卡查爾：生命起源 - 網頁版：https://lex.qiaomu.ai/tw/ep/betul-kacar/ - 官方頁面：https://lexfridman.com/betul-kacar/ - 精讀字數：約 5727 字（閱讀約 13 分鐘） > 本文為 lex.qiaomu.ai 基於原始訪談的 AI 改寫中文精讀，非官方翻譯；引用請註明出處並連結網頁版。 地球上所有活著的細胞，從人腸道里的大腸桿菌到藍鯨的肌肉纖維，用的都是同一臺機器。這臺機器讀四個字母，把讀到的序列翻譯成二十種氨基酸，再摺疊成能幹活的立體結構。它只有一個起始訊號，永遠是同一個，甲硫氨酸；它有三個終止訊號，用來告訴工廠這活幹完了。 翻任何一本教科書，那套 64 個密碼子對應 20 種氨基酸的表格，在細菌身上和在人類身上沒有任何偏差。四十億年的分岔、滅絕、重組之後，這一頁表格沒動過一個格子。 貝圖爾·卡查爾（Betül Kaçar）在威斯康星大學做天體生物學，博士唸的是化學，現在做的事是拿今天的基因序列往回推，把幾十億年前的蛋白質在實驗室裡重新合成出來。她管這段歷史叫“霧”，越往遠處看霧越濃，但她偏偏喜歡往最濃的地方走。 ## 生命之樹最浪漫的地方，是它必須從枝頭倒著畫 卡查爾說，系統發生樹可能是生物學裡最浪漫、最漂亮的一個概念。它把生命之間的親緣關係畫成一張圖，所有活著的東西都站在這張圖不同的枝頭。 但這棵樹有個容易搞反的地方。你以為是先有根，再有枝，其實畫的時候是反的。你先看到的是枝頭，是今天活著的這些生物身上拿到的東西。根在哪裡，是由枝頭上放了什麼決定的。 所以做古基因重建的人，乾的是逆向工程。手裡只有葉子，要猜樹幹長什麼樣，要猜那些早就死透的祖先當年靠什麼活著。卡查爾的原話是，先看今天有什麼，然後開始反推，往時間的上游走。 樹的解析粒度也可以自己挑。想搞清楚某段 DNA 是不是在進化路上從別的物種那兒偷來的，就按這個目的建一棵樹；想復活一段古蛋白，就同時建三棵，一棵用基因序列，一棵用蛋白質序列，一棵用物種關係，然後互相對照。三棵樹說法一致的地方，可信度就高一些。 ## 侏羅紀公園拍不出來，真正有意思的部分比恐龍早得多 Lex 直接把那個沒法正經問的問題扔了出來：侏羅紀公園有多現實？ 卡查爾的回答裡藏著一個轉向。她說恐龍也好，那些大型哺乳動物也好，等她真正關心的東西出場時，這些早就演完了。她感興趣的是兩段時間。 第一段是生命起源，第一個細胞長什麼樣。第二段是某些漫長的地質時期裡，看上去什麼重大創新都沒發生，也沒在岩層裡留下任何記錄。她想知道的是，那些空白裡到底丟了什麼。 這裡面有一串被大眾忽略的事件。光合作用，真核細胞，多細胞生物，還有那次把整個星球大氣改寫的氧氣事件。全部發生在這類“原始長相”的單細胞身上，全部沒有好記錄。你我今天能坐在這兒對話，靠的就是這些事件。 人類對這顆星球過去的生物學創新，理解得極少。手裡只有兩類材料：岩石裡留下的印痕，和用今天的序列推出來的樹。地質學給一點，生物學給一點，兩邊都有各自的盲區，中間那段得靠推理縫起來。 ## 生物學這門學問，最麻煩的地方是它會自己擦掉自己的歷史 卡查爾講了一句很實在的話：生物學研究的，廣義上講就是倖存者。你手裡只有活到今天的這些東西，然後試圖用它們拼出一部歷史。 DNA 是一份四十億年的產品，是一團非常活躍、一直在變的化學物質。它會給你資訊，但前提是你知道該往哪兒看。因為它一直在響應環境，一直在重寫自己。 這就導致一個別的歷史學科沒有的困境。地質學家能去看地層，考古學家能去挖遺址，生物學家的“史料”本身就帶著篡改痕跡，而且篡改得很勤奮。 Lex 用了“霧”這個比喻，卡查爾接了過去。她說確實很霧，而且越往遠看越霧。 ## 細菌不需要人類的道歉，它們需要的是被承認 聊到這裡，卡查爾主動替細菌說了幾句好話。她說細菌一點都不原始，我們今天看到的細菌，是幾十億年殘酷篩選之後的勝出者，比任何大型動物都更老練、更抗折騰。 她還引了道格拉斯·亞當斯那句玩笑：人類不喜歡自己的祖先，很少請他們來家裡吃飯。可細菌就在你的飯裡，在你的腸道里，一路幫你把日子過下去。某種意義上，它們自己找到了被邀請的方式。 這句話不是單純的幽默。它背後有個認知上的坑：人們習慣把“簡單”和“原始”劃等號，覺得單細胞是低配版的生命。實際上單細胞是一個在極端環境裡跑了幾十億年、從沒宕機過的系統。複雜度的評價標準如果是“能不能活下去”，那贏家一直是它們。 ## 實驗室裡養的那幾只“寵物”，各自負責回答不同的問題 卡查爾實驗室的工作方式很直接：改造細菌。選誰當物件，取決於想問什麼。 想連線生物學和地質學，搞清楚幾十億年前那些基礎創新，藍細菌（cyanobacteria）是首選。它的基因組可以改，可以往裡塞設計好的外源 DNA，改動它自己的代謝功能。 想搞清楚細胞最基本的功能，用大腸桿菌。這是研究得最透的模式生物，做克隆、做基礎驗證都靠它。 還有一類叫固氮菌（diazotrophs），專門負責把大氣裡的氮變成生物能用的形式。她們的做法是把一條用計算和系統發生工具“復活”出來的古老固氮代謝通路，裝進今天還活著的固氮菌裡。 ## 整個生物圈只發明過一次固氮，碳的路子卻有七八條 氮氣在空氣裡佔了差不多八成，但那個三鍵穩得離譜，細胞沒法直接用。要把它變成氨，才能進入下游的代謝。這個過程叫固氮。 氮的重要性容易被低估。它在 ATP 裡，在葉綠素裡，是生命用量最大的元素之一。地球上有大量含氮的化合物，缺了這一道轉化，全部堵在門口。 關鍵點在這兒：到目前為止，人類只知道一條生物固氮路徑。對比一下碳，微生物發明了七八種不同的固碳方式，各走各的路。氮這邊，地質時間尺度上看，就一個解。卡查爾管它叫“奇點”。 這條唯一的路徑大約出現在 27 億年前，也可能接近 30 億年。核心是一個叫固氮酶（nitrogenase）的酶，配合電子供體、ATP，還有大量的氫，硬生生把三鍵撬開。 沒有這一步，今天的世界不存在。Lex 問，如果生命沒發明固氮會怎樣。卡查爾的回答很乾脆：她想不出另一種可能。你我此刻能說話，是因為生命找到了這條路。 ## 人類自己也發明了一次，而且現在供應著你體內一半的氮 非生物的固氮方式其實有。閃電就能把大氣裡的氮變成氨，一場雷雨就是一次小規模的化肥生產。 人類的那次發明大約在一百年前，一戰前後，哈伯-博施法（Haber-Bosch process）。原理不復雜，用極高的壓力把氮和氫壓成氨。今天農業用的尿素來自這個流程，糧食來自這些化肥。 有個數字值得停一下：**人體內的氮，大約有一半來自人類自己合成的氨。** 換句話說，現代人的身體裡有相當一部分原子，走的是一條一百年前才被工業打通的路徑，而不是那條 27 億年前演化出來的酶促路徑。 卡查爾對此的評價是，人類用最笨的方式復刻了自然最精巧的發明。生命靠一個酶、一堆 ATP、一些氫，在常溫常壓下完成的事，工業得靠高溫高壓。這個對比擺在任何一次關於“技術是否已經足夠先進”的討論裡，都挺有說服力。 她還提到生命依賴的五種元素：碳、氫、氧、氮、硫。這是一杯雞尾酒的基本配料。至於這五種是不是宇宙裡唯一能撐起生命的組合，她明確說不知道。地球只是給出了一個樣本。 ## 細胞裡真正的中樞，是那臺把序列變成形狀的機器 訪談的重心在這裡轉向。卡查爾說，如果只能挑一個子系統來講，她選翻譯機器（translation machinery）。 人們習慣把細胞當成生命的基本單位，但在她看來，細胞裡發生的一切，某種程度上都在為翻譯服務。有一篇論文的說法是，整個細胞對這種位於核心的資訊、計算、生物化學系統“無可救藥地上癮”。 這臺機器乾的事，是把 mRNA 的線性序列變成摺疊好的蛋白質。過程分成起步、延伸、終止、回收幾個階段，每一步都在處理離散的資訊單位。 卡查爾給了一個很好用的比喻：它像一臺印表機，讀圖紙，造出三維的實物。Lex 順著說，更像一座工廠，圖紙進去，產品出來。 這臺機器由大約一百個不同的元件構成。核心位置是一段 RNA，它同時充當資訊載體和酶。剩下的是各種蛋白，靠 ATP 或 GTP 供能，各司其職。 ## 拆成五個學科看，它比任何一臺人造計算機都難對付 卡查爾把翻譯機器拆成五個層面，這一段是她整個思路的骨架。 - **化學的**：構成它的全是化學物質，速率常數、結合親和力、反應條件，一條都不能越界。 - **物理的**：它要消耗能量，要在真實空間裡挪動真實的分子，是個機械活。 - **資訊的**：它處理的是位元，是四個字母排出來的序列。 - **計算的**：處理資訊的過程中，系統進入一個個離散狀態，這本身就是計算。 - **生物的**：複製不完美，於是有了變異，有了遺傳，有了演化。 這五層裡的任何一層被破壞，系統就塌。速率太快，下一條資訊遞不進來；速率太慢，整個流程卡死。每個元件都有自己的容錯區間，區間外就是崩潰。 卡查爾用了爵士樂隊的比喻。所有樂手都在同一個場子裡，各自有即興空間，但整體必須咬合。Lex 說這更像一場派對，每個人都收到邀請，還得跳同一支舞。 對比一下人造計算機，差別很清楚。計算機有資訊層，有計算層，但沒有化學層、物理層、生物層。更要命的是，**計算機裡的資訊和功能是松耦合的，翻譯機器裡兩者死死綁在一起。** 序列一變，蛋白質的形狀就變，功能就變，沒有中間商。 ## 這臺機器可以被整個拔出來，放進試管裡照樣工作 有個實驗事實很能說明問題。把翻譯機器從細胞裡取出來，放到無細胞體系裡，它照樣翻譯。它不需要細胞的其他部分配合，只需要有人餵給它資訊。 這一點挺關鍵。它說明翻譯機器在功能和結構上有相當的獨立性，不是一個必須依附於完整細胞才能存在的脆弱環節。這讓研究它變得可行，也讓“在實驗室裡從零造一臺翻譯機器”這個目標看起來不完全是妄想。 但卡查爾承認，這個目標還沒實現。她還提了一句，做生命起源的化學家一直在找那個“鍋”，一鍋下去能煮出這套東西的配方，到現在也沒找到。因為這套東西遠不止化學。 說到“鍋”，她解釋了一下什麼叫單鍋化學（single-pot chemistry）。就是你把這套配方需要的所有原料按比例扔進一個容器，知道在什麼環境下會得到什麼產物。到這一步，運氣就不參與運算了，輸入決定輸出，像一道已經解出答案的數學題。 她把這類化學家稱作某種廚師。他們不是碰運氣，是在設計一份能重複的菜譜。 ## 那張遺傳密碼錶，是生命的字母表 訪談裡有一段非常適合邊看邊聽。Lex 調出了標準遺傳密碼錶，圓盤形，外圈是二十種氨基酸，內圈是鹼基組合。 四個字母，三個位置一組，4×4×4，一共 64 個可能的狀態。生命的做法是：拿掉一個起始訊號和三個終止訊號，剩下的用來編碼 20 種氨基酸。 起始訊號只有一個，AUG，對應甲硫氨酸。卡查爾對這一點特別著迷：**所有生命從同一個起始碼開始，沒有第二種寫法。** AUG 一到，翻譯機器就知道，功能要來了，後面跟著的是一串資訊，直到終止碼出現。 終止訊號有三個，在表上用黑方塊標出來。也就是說，開始只有一種方式，停下來有三種方式。 那 20 種氨基酸是從哪兒挑出來的？自然界已知的氨基酸有 500 種左右，生命只用了 20 種。為什麼是這 20 種，沒人能給出確定答案。卡查爾說，別指望四億年，四十億年也沒給出解釋，可能還得再等四十億年。也可能早期根本不是這 20 種，只是我們無從驗證。 ## 密碼錶的冗餘不是浪費，是給錯誤留的緩衝 64 個狀態只用掉 20 個編碼加 4 個起止，三分之二的位置看起來是空轉。卡查爾說，從資訊學角度看，這恰恰是這套系統的精髓。 一個氨基酸往往對應兩到四個不同的密碼子。賴氨酸（K）可以由 AAA 編碼，也可以由 AAG 編碼，第三個位置的字母錯了，產物還是賴氨酸。 這就是密碼子的簡併性。**它意味著訊息可以帶錯字，但意思還能傳達出去。** 把這件事放到整個系統的層面看，你會發現容錯是層層巢狀的。資訊層有冗餘，計算層有冗餘，化學層有容錯區間，生物層更是直接把錯誤變成了演化的原料。一個系統在五個層面同時留了後路，這才是它跑了四十億年沒停機的真正原因。 至於自然選擇是怎麼把這套冗餘挑出來的，哪種錯誤能保住功能、哪種會導致失能，人類的理解還非常有限。卡查爾說得很坦白，這是生物學裡最難的問題之一，是生物學的暗面。它如此基礎，我們對它的演化機制卻幾乎一無所知。 ## 做古基因重建，和解碼一門死語言是同一套方法 卡查爾在這裡給了一個跨度很大的類比，也是整場對話裡最漂亮的一段連線。 研究已經消失的語言和文明，起點是今天的語言。拿印歐語系各支做對比，一個詞一個詞地推，建一棵語言樹，最後反推出那個共同祖先怎麼說“雪”。 如果很多支文化裡都有專門指雪的詞，你就能推斷，他們生活的地方會下雪，否則不需要這個詞。 生物學乾的是同一件事。搞清楚某個古老酶的功能，就能推斷它主人當年活在什麼環境裡。基因序列是詞，蛋白質功能是詞的意思，環境是說話的人所處的世界。 生命之樹和那張密碼錶，在這個框架下其實是同一件事的兩種檢視。密碼錶是字母表，64 個狀態，20 個成品字。生命之樹是這四十億年裡寫下的全部文字。你今天看到的每一個物種，都是這套字母表在環境壓力下寫出來的一篇文章。 卡查爾的落點很剋制：理論上，用這套語言可以描述地球上存在過的所有生命。實際上，我們的水平離這個目標還差得遠。 ## 如果別處也有生命，它會不會也發明同樣的東西 作為天體生物學家，卡查爾真正在追問的是一個更硬的問題：生命的哪些部分是被地球環境逼出來的偶然，哪些是任何地方的生命都繞不開的必然。 固氮這件事給了她一個線索。整個生物圈只發明瞭一次，之後再也沒有第二種寫法。這種“唯一解”的現象，暗示某些生化路徑可能是被化學和熱力學嚴格限定的，換一個星球，未必有別的選擇。 翻譯機器更是這樣。一個把資訊與功能直接耦合、在五個層面同時容錯的系統，很難想象有更省事的替代方案。 但她沒往下斷言。她反覆說的一句話是，我們只有一個樣本。這既是對科學邊界的誠實，也是這門學科真正的吸引力所在：想搞明白哪些是偶然，唯一的辦法是找到第二個樣本。 ## 可以馬上做的幾件事 - 把標準遺傳密碼錶列印出來貼在桌上。看幾天之後，你會開始理解為什麼起始碼只有一種、終止碼有三種，這種不對稱本身就是資訊。 - 去 NCBI 用 BLAST 跑一段你自己的基因，或者直接從網上找一段人類細胞色素 c 的序列，跟酵母、水稻的同源序列比對。你會親眼看到四十億年的分歧在序列上留下什麼痕跡，比讀十篇綜述都直觀。 - 找一本講早期地球化學的書來讀。卡查爾反覆強調的一件事是，不懂化學就沒法碰生命起源，這門課繞不過去。 - 關注卡查爾實驗室的公開論文和訪談。她做的是把古蛋白真的合成出來、裝回活細胞裡觀察，這種“復原再造”的路子，比純計算推斷更有說服力。 - 下次看到“某個古代特徵被重建”的說法，先問一句：它是從今天的資料往回推的，還是有獨立證據？霧很濃，方法論是唯一的手電筒。